SE504479C2 - Bränslepatron för kokarvattenreaktor - Google Patents

Description

504 479 2 sämre moderator än vatten på grund av sin lägre densitet.

Bränslepatronens övre del fàr därför under drift en sämre moderering än bränslepatronens nedre del. Om bränslet fördelas jämnt utmed bränslepatronens längdriktning erhàlles ett lägre moderator/bränsle förhàllade i den övre delen jämfört med den undre delen. En bränslepatron med ett ojämnt moderator/bränsle förhállade har en sämre reaktivitet under drift, vilket bidrar till en sämre bränsleekonomi jämfört med en bränslepatron som har ett jämnt moderator/bränsle förhàllade. För att erhàlla ett jämnare moderator/bränsle förhàllade när reaktorn är varm bör alltså mängden bränsle vara mindre och gitterutrymmet, dvs det fria utrymmet mellan bränslestavarna, vara större i bränsle- patronens övre del än i dess undre del. För en viss bränsle- konstruktion kan ett jämnare moderator/bränsle förhállade åstad- kommas t ex genom val av bränslestavarnas diameter, avstànd mellan bränslestavarna eller antalet bränslestavar.

Ett sätt att öka moderator/bränsle förhålladet i en bränsle- patrons övre del är att byta ut en del av bränslestavarna i gittret mot dellànga bränslestavar. Dellànga bränslestavar sträcker sig fràn bottenplattan mot topplattan men slutar en bit nedanför topplattan till skillnad mot hellànga bränslestavar som sträcker sig fràn bottenplattan till topplattan. I patent- skriften US 5,229,068 visas en bränslepatron i vilken huvuddelen av bränslestavarna är hellànga och ett mindre antal bränsle- stavar är dellànga. Alla bränslestavarna i bränslepatronen, dvs både de hellànga och de delànga bränslestavarna, är anordnade i ett ortogonalt gitter där varje stav ingàr i två mot varandra vinkelräta rader av bränslestavar. Avståndet mellan tvà nära- liggande bränslestavar är detsamma oavsett om bränslestaven är hellàng eller dellàng.

En nackdel med att ha dellànga bränslestavar i vissa bränsle- stavspositioner är att gittret i bränslepatronens övre del blir ojämnt med stora öppningar. På grund av öppningarnas làga ström- ningsmotstànd kommer en del av det vatten som annars skulle ha strömmat mellan bränslestavarna att istället strömma i dessa öppningar. Detta medför att kylningen av vissa bränslestavar 3 SÛ4 479 blir sämre och risken för dryout och eventuella bränsleskador ökar.

En annan nackdel är att den sammanlagda längden av alla bränsle- stavar minskar jämfört med en bränslepatron med hellànga bränslestavar i alla bränslestavspositioner. Detta medför att bränslestavarnas linjära belastning (effekt/längdenhet) ökar, vilket betyder att temperaturen pà bränslet blir högre och risken för PCI-skador (Pellet-Clad Interaction) på bränslet blir större samtidigt som avgivningen av fissionsgaser ökar.

Ytterligare en nackdel är de toppar i neutronflödet som uppstår överst i de dellånga bränslestavarna. Neutronflödestopparna upp- står på grund av att det överst i de dellånga bränslestavarna finns delar som varken innehåller något uran eller något vatten.

Dessa delar utgörs av fissionsgasutrymme och topplugg. I dessa uranfria och moderatorfria delar sker ingen neutronabsorption vilket ger ett överskott pà neutroner som istället absorberas i de översta bränslekutsarna i den dellånga bränslestaven och därmed orsakar en topp i effekten.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en bränslepatron för en kokarvattenreaktor som har ett jämnt moderator/bränsle förhàllade och - ger möjlighet att optimera bränslefördelningen både axiellt och radiellt, - har en làg dryoutrisk, - har en làg linjär belastning pà bränslestavarna, och - som inte orsakar toppar i neutronflödet.

Vad som kännetecknar en bränslepatron enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

Enligt uppfinningen àstadkommes en bränslepatron som uppfyller ovan beskrivna ändamål genom att ett antal hellànga bränsle- stavar anordnas i bränslestavspositioner i ett ortogonalt gitter där varje stav ingår i två mot varandra vinkelräta rader av 504 479 4 bränslestavar. En hellàng bränslestav i en bränslestavsposition i det ortogonala gittret kallas i fortsättningen för en normal- stav. En eller flera korta bränslestavar, dvs bränslestavar som sträcker sig mellan tvà spridare eller mellan bottenplattan och en spridare, anordnas i bränslepatrones nedre del i det utrymme som bildas mellan ett antal varandra närliggande normalstavar, dvs i en position som ej tillhör det ortogonala gittret. Dessa korta bränslestavar som ej tillhör det ortogonala gittret kallas i fortsättningen för mellanliggande stavar. Avståndet mellan en mellanliggande stavs centrumlinje och de omgivande normal- stavarnas centrumlinje är väsentligt mindre än avståndet mellan centrumlinjen för var och en av normalstavarna. I en föredragen utföringsform är den mellanliggande bränslestaven anordnad sà att den stàr i kontakt med de fyra angränsande normalstavarna.

Tack vare att bränslestavspositionerna är besatta med hellànga bränslestavar erhålles ett jämnt gitter i bränslepatronens övre del varvid risken för dryout är betydligt mindre än i fallet med dellànga bränslestavar i bränslestavspositionerna där stora öppningar bildades i bränslepatronens övre del. För att få in mera moderator i bränslepatronens övre del måste bränslestavarna ha en något mindre diameter jämfört med bränslestavarna i en bränslepatron med dellànga stavar.

I en bränslepatron enligt uppfinningen ökar bränslestavarnas sammanlagda längd, istället för att minska som den gör i fallet med dellànga bränslestavar i bränslestavspositioner. På så vis minskas den linjära belastningen av bränslestavarna vilket ger en minskad risk för PCI-skador och minskad fissionsgas- utveckling.

Neutronflödestoppar orsakade av de uranfria och moderatorfria delarna av den mellanliggande bränslestaven undertrycks av de fyra omgivande normalstavarna som absorberar överskottet av neutroner.

Genom att variera antalet korta bränslestavar på olika nivåer i bränslepatronen kan ett jämnt moderator/bränsle förhållade so4 479 uppnås. Uppfinningen ger stora möjligheter för optimering både radiellt och axiellt i bränslepatronen.

FIGURBESKRIVNING Figur l visar schematiskt en bränslepatron enligt uppfin- ningen innefattande mellanliggande bränslestavar i ett vertikalt snitt genom linjen D-D i figur 2.

Figur 2a visar ett horisontellt snitt A-A genom bränsle- patronen i figur l.

Figur 2b visar ett horisontellt snitt B-B genom bränsle- patronen i figur 1.

Figur 2c visar ett horisontellt snitt C-C genom bränsle- patronen i figur 1.

Figur 3a visar uppförstorat en mellanliggande bränslestav omgiven av fyra normalstavar.

Figur 3b visar en mellanliggande bränslestav med åtta- kantigt kapslingsrör.

Figur 4 visar mera i detalj en mellanliggande bränslestav.

Figur 5a och 5b visar alternativa anordningar för att vrid- bart stödja den mellanliggande bränslestaven mot bottenplattan eller mot en spridare.

Figur 6a - 6c visar ytterligare utföringsformer av en bränslepatron enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Figur l och figur 2a - 2c visar en bränslepatron 1 av kokar- vattentyp som innefattar en lång rörformig behållare, med rektangulärt tvärsnitt, benämnd höljerör 2. Höljeröret 2 är öppet i båda ändar, så att det bildas en genomgående strömnings- passage, genom vilken vatten strömmar. Höljeröret 2 är försett med ett iháligt, med korsformat tvärsnitt utformat stödorgan 3a, 3b, som är fast förbundet med höljerörets fyra väggar. Stöd- organet består av fyra ihåliga flyglar 3a och ett ihåligt för- storat korscentrum 3b. Stödorganet 3a, 3b bildar en vertikal korsformad kanal genom vilken vatten strömmar uppåt genom bränslepatronen. Bränslepatronen är omgiven av vatten. Tack vare närheten till en-större vattenvolym erhåller bränslestavar nära 504 479 6 höljeröret och nära den korsformade kanalen en bättre moderering än övriga bränslestavar.

Höljeröret med stödorgan omsluter fyra vertikala kanalformade delar 4a - 4d, tvärsnitt. Varje delkanal innehàller ett bränsleknippe inne- s k delkanaler, med ett i huvudsak kvadratiskt fattande ett flertal parallellt anordnade bränslestavar. Varje bränslestav innefattar ett antal cylindriska kutsar av uran- dioxid staplade pà varandra och inkapslade i ett kapslingsrör.

Bränsleknippet sammanhàlls upptill av en topplatta 7 och nedtill av en bottenplatta 6. Bränslestavarna hàlls medelst ett flertal spridare 8a - 8i pà avstånd från varandra och hindras fràn att böja sig eller vibrera dà reaktorn är i drift. I figuren visas endast fyra av spridarna Sa, 8b, 8h, 8i. Utrymmena mellan bränslestavarna inom varje delkanal genomströmmas av vatten och ánga. Istället för topplattan kan bränsleknippet upptill samman- hàllas av en spridare.

Bränslestavarna är av tvà olika typer dels s k normalstavar 5a och dels s k mellanliggande stavar 5b. Normalstavarna 5a är hellànga, dvs de sträcker sig från bottenplattan 6 till topp- plattan 7, och de är anordnade i ett ortogonalt gitter. Varje bränsleknippe innefattar 24 normalstavar anordnade i ett orto- gonalt 5x5 gitter där en bränslestav saknas i det hörn som vetter mot stödorganets förstorade korscentrum 3b. De mellan- liggande stavarna 5b är kortare än normalstavarna och är anordnade mellan normalstavarna. De mellanliggande stavarna sträcker sig antingen mellan bottenplattan 6 och en spridare 8a eller mellan tvà spridare, t ex 8a och Bb. De mellanliggande stavarna Sb är anordnade i bränslepatronens nedre del vilken utgör ca 60% av bränslepatronens totala längd. I denna del av bränslepatronen är risken för dryout mycket làg. De flesta mellanliggande stavarna 5b är anordnade i det utrymme som bildas mellan fyra varandra närliggande normalstavar. Nàgon mellan- liggande stav är anordnad i det utrymme som bildas mellan tre varandra närliggande normalstavar och stödorganets förstorade korscentrum 3b. 7 504 479 Figur 2a visar ett horisontellt snitt genom bränslepatronens övre del vilken utgör ca 40% av bränslepatronens totala längd. I den övre delen finns inga mellanliggande stavar utan endast normalstavar.

Figur 2b visar ett horisontellt snitt genom bränslepatronen mellan den understa spridaren 8a och dess närmaste spridare 8b.

I vart och ett av de fyra bränsleknippena är åtta mellanliggande stavar 5b anordnade i utrymmen mellan normalstavarna och i positioner som är jämnt fördelade över bränsleknippet.

Figur 2c visar ett horisontellt snitt genom bränslepatronen mellan bottenplattan 6 och den understa spridaren 8a. I vart och ett av de fyra bränsleknippena är àtta mellanliggande stavar 5b anordnade i utrymmen mellan normalstavarna och i positioner som är jämnt fördelade över bränsleknippet. Dessa positioner skiljer sig fràn positionerna i figur 2b. De mellanliggande stavarnas positioner varierar i axialled mellan olika spridare. I detta utföringsexempel har de mellanliggande stavarna omväxlande positioner enligt snittet i figur 2b och positioner enligt snittet i figur 2c mellan spridarna i bränslepatronens nedre del. Genom att axiellt variera de mellanliggande stavarnas positioner ökas omblandningen av vattnet vilket ger en minskning av dryoutrisken.

Figur 3a visar en mellanliggande stav 5b som omges av normal- stavar 5a. Alla bränslestavarna har samma diameter d=9mm. Den mellanliggande staven 5b är anordnad sá att den stàr i kontakt med de omgivande normalstavarna. Genom att anordna den mellan- liggande staven och de omgivande normalstavarna sà nära varandra som möjligt minskas risken för vibrationer och nötning pà StaVarna .

Figur 3b visar ett alternativt utförande där den mellanliggande staven har ett àttakantigt kapslingsrör 20 för att förhindra att det uppstår ett glapp mellan stavarna. Om den mellanliggande staven avsiktligt utsätts för ett vridande moment, orsakat av vattenflödet, kommer glappet till omgivande bränslestavar att 504 479 8 elimineras. Därigenom motverkas risken för vibrationer och nötning. Lämpligen ges även toppluggen en àttakantig form.

Figur 4 visar en mellanliggande stav 5b anordnad mellan botten- plattan 6 och spridaren Sa. Bränslestaven innefattar ett antal urankutsar 9 staplade på varandra och inkapslade i ett kapslingsrör 10. Bränslestaven är i sin undre ände försluten med en bottenplugg lla och i sin övre ände med en topplugg 12.

Bottenpluggen är svagt konkav och är vridbart anordnad pà ett sfäriskt format parti 14 hos bottenplattan. Toppluggen är också svagt konkav och trycks mot ett sfäriskt format parti 15 hos spridaren. Under kärnbränslets utbränning friges fissionsgaser som hàlls inne i bränslestaven. För att undvika att trycket på kapslingen blir för stort är ett expansionsutrymme 13 för fissionsgaserna anordnat ovanför urankutsarna. Den mellan- liggande staven hàlls pà plats i sidled av de omgivande normal- stavarna. Om en mellanliggande stav, t ex vid service, behöver plockas ut ur bränsleknippet måste först en av de omgivande normalstavarna tas bort, varefter den mellanliggande staven kan greppas i toppluggen med ett lämpligt verktyg och föras ut i sidled.

Figur 5a visar ett alternativt sätt att anordna ett vridbart stöd för bottenpluggen. Bottenpluggen llb innefattar en sfärisk urtagning 16 som omsluter en fjädrande kula 17 anordnad på bottenplattan 6b eller alternativt en spridare. Figur 5b visar ytterligare ett alternativt sätt att anordna ett vridbart stöd för bottenpluggen. Bottenpluggen 11c har formen av en nedàt avsmalnande kon och avslutas med en tapp 18 som passar i ett hál med fjädrande flikar 19 i bottenplattan 6b eller i en spridare.

Tack vare den goda tillgången pà moderator kan det vara en fördel att anordna de mellanliggande stavarna nära höljeröret och stödorganet. Figur 6a visar en snitt genom en delkanal enligt en utföringsform av uppfinningen där alla de mellan- liggande stavarna är anordnade nära höljeröret. Normalstavar 5a är anordnade i ett ortogonalt 5x5 gitter och de mellanliggande stavarna Sb är alla anordnade i det utrymme som bildas mellan fyra varandra närliggande normalstavar där tvà av normalstavarna

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 9 504 479 gränsar till höljeröret 2. Tvärsnittet är lika i hela den undre delen av bränslepatronen. Figur 6b och 6c visar tvâ horisontella snitt genom en delkanal i den undre delen av en bränslepatron enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen. De mellanliggande stavarna 5b är anordnade i positioner nära höljeröret 2 och nära stödorganet 3b. De mellanliggande stavarna har omväxlande positioner enligt snittet i figur 6b och positioner enligt snittet i figur 6c mellan spridarna i bränslepatronens nedre del. Denna uppfinning kan givetvis även tillämpas pà en bränslepatron som helt saknar en invändig vattenkanal eller som har en vatten- kanal med en annan utforming, t ex ett eller flera centralt anordnade vattenrör. PATENTKRAV

1. Bränslepatron för kokarvattenreaktor innefattande en bottenplatta (6), - ett övre sammanhállande organ (7), ett flertal första bränslestavar (5a) vilka sträcker sig fràn bottenplattan till det övre sammanhàllande organet och är anordnade i ett ortogonalt gitter där varje bränslestav ingàr i tvà mot varandra vinkelräta rader av bränslestavar, - ett antal andra bränslestavar (5b) anordnade parallellt med de första bränslestavarna och vars längd är väsentligt mindre än de första bränslestavarnas längd, - ett antal spridare (8) som sammanhàller och positionerar bränslestavarna pá inbördes avstånd och är anordnade axiellt åtskilda utmed bränslestavarna, och - ett höljerör (2) som omsluter bränslestavarna, k ä n n e t e c k n a d a v att varje andra bränslestav är omgiven av ett antal första bränslestavar, varvid avståndet mellan den andra bränslestaven och var och en av de omgivande första bränslestavarna är väsentligt mindre än avståndet mellan var och en av de första bränslestavarna. 10 15 20 25 504 479 10

2. Bränslepatron enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att de andra bränslestavarna (Sb) är anordnade i bränsle- patronens nedre del.

3. Bränslepatron enligt patentkrav 1 eller 2 k ä n n e t e c k n a d a v att åtminstone vissa av de andra (5b) är anordnade mellan bottenplattan (6) och (8). bränslestavarna någon av spridarna

4. Bränslepatron enligt något av de föregående patentkraven att åtminstone vissa av de andra (8). k ä n n e t e c k n a d a v bränslestavarna (5b) är anordnade mellan tvà av spridarna

5. Bränslepatron enligt något av de föregående patentkraven k ä n n e t e c k n a d a v att varje andra bränslestav (5b) är anordnad att stà i kontakt med de omgivande första bränslestavarna (Sa).

6. Bränslepatron enligt nàgot av de tidigare patentkraven k ä n n e t e c k n a d a v att de andra och de första bränslestavarna har samma diameter (d).

7. Bränslepatron enligt något av de föregående patentkraven att de andra bränslestavarna har (20). k ä n n e t e c k n a d a v ett àttakantigt kapslingsrör